紫金山天文臺等揭示FRB200428成協X射線暴的起源

　　中國科學院紫金山天文臺與北京大學，提出了與快速射電暴FRB 200428成協的X射線爆發起源于強磁場重聯過程，并通過粒子動理學模擬方法（Particle in Cell,簡稱PIC方法）解釋了這一爆發事件的能譜、光變觀測特征。9月1日，相關研究成果以《FRB成協X射線暴發的起源：QED磁重聯》（Origin of FRB-associated X-ray burst: QED magnetic reconnection）為題，作為封面文章，在線發表在《科學通報》（Science Bulletin）上。

　　快速射電暴（Fast Radio Burst，FRB）是宇宙中一類持續時間為毫秒量級的超亮射電脈沖信號，其起源和產生機制是當今天文學謎題之一。自2007年發現以來，FRB的研究成為天體物理學前沿熱點之一。2020年4月28日，加拿大CHIME射電望遠鏡和美國STARE-2探測器，首次探測到來自銀河系內一顆名為SGR J1935+2154磁陀星的射電爆發FRB 200428。同時，中國的慧眼（HXMT）衛星、歐洲的INTEGRAL衛星、俄羅斯的KONUS-WIND探測器和意大利AGILE衛星，探測到與FRB 200428成協的X射線爆發現象（簡稱為FRB 200428-X）。這一觀測事實確認了磁陀星可以產生FRB，并證實了FRB在瞬時輻射階段存在X射線波段的對應體。關于FRB 200428的研究成果，被《自然》評為2020年十大科學發現之一，并被《科學》列入2020年十大科學突破，被認為是探索FRB本質的重要進展。

　　紫金山天文臺研究員吳雪峰領銜的高能時域天文研究團組，與北京大學物理學院重離子物理研究所、核物理與核技術國家重點實驗室教授喬賓課題組合作，基于第一性原理給出了FRB 200428-X的精細起源模型。由于磁陀星附近磁場強度極大，量子電動力學（QED）效應（包括輻射阻尼、正負電子對的產生和真空極化等）會在磁重聯過程中扮演重要角色，使得PIC方法成為相關研究的必要手段。該團隊創新性地實現集成跨尺度數值模擬，自洽結合QED磁重聯對粒子的加速以及高能粒子與軟光子多次逆康普頓散射兩個過程（圖1）。研究發現，QED效應會對磁重聯加速粒子能譜的冪率譜指數和截止能量產生顯著影響（圖2），并通過與HXMT觀測能譜比較（圖3），限定FRB 200428-X爆發區域的磁化參數區間（圖3）。該工作通過跨尺度、多物理的數值模擬方法，提出了較為全面的FRB 200428-X的物理起源模型，強調了QED效應對磁重聯的微觀粒子加速過程和宏觀天文觀測結果的顯著影響，為探究極端環境下的天文觀測數據提供了新思路。

　　研究工作得到科學技術部平方公里陣列射電望遠鏡（SKA）專項項目、國家自然科學基金、中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃和中國科學院青年創新促進會的支持。